鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪？
編者按：本文來自微信公眾號 經(jīng)緯創(chuàng)投（ID：matrixpartnerschina），作者：經(jīng)緯創(chuàng)投，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布，頭圖來源攝圖網(wǎng)。
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去年股市里最火的就是新能源板塊，而新能源板塊里最火的幾個子板塊之一就是鈉離子電池。
原本生產(chǎn)鍵盤和鼠標(biāo)的傳藝科技，一透露自己將進(jìn)軍鈉離子電池，股價一度暴漲了5倍；而主營煤炭生產(chǎn)的山西華陽股份，也因有鈉離子電芯生產(chǎn)子公司的新聞，而隨后連續(xù)上漲，證監(jiān)會也向這兩家公司發(fā)布了關(guān)注函和詢證函。
在一項新技術(shù)真正到來之前，必然會伴隨著市場的泡沫和炒作，我們反而需要潛心觀察，去看是否到了爆發(fā)前夜。
鈉離子電池以其豐富的鈉資源，和逐漸追趕鋰離子電池的性能，正在儲能和低速電動車領(lǐng)域形成替代鋰電池的潛力。鋰和鈉在元素周期表上屬于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相近，也幾乎在同一時間起步，但因為更適于鋰電池的負(fù)極材料的突破，和鋰能量密度更高的特性，鋰電池一騎絕塵，甩下鈉電池二十年。
但自2021年以來，隨著更稀缺的鋰資源價格飆升，以及儲能等新賽道的崛起、鈉離子電池本身的技術(shù)突破，鈉電池又開始重回人們的視野，成為在某些領(lǐng)域替代鋰電池的潛在選擇。
今天這篇文章我們就來分析一下鈉離子電池的發(fā)展歷史，與鋰離子電池的異同，以及轉(zhuǎn)折點在哪、為什么現(xiàn)在能產(chǎn)生分庭抗“鋰”的勢頭。Enjoy：
1 鋰鈉同時起步，為什么“鈉”滯后了20年？如果我們回顧歷史，鋰和鈉的研究幾乎都是在上世紀(jì)七十年代起步，在元素周期表上，兩者也是同一主族的相鄰元素，化學(xué)性質(zhì)相近，但為什么鈉的商業(yè)化才幾乎剛起步，而鋰已經(jīng)如此成熟？
最初鋰金屬和鈉金屬同時作為電池負(fù)極出現(xiàn)，此時搭配的正極是TiS2（二硫化鈦）。但隨著持續(xù)的研究進(jìn)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用嵌入化合物來替代金屬負(fù)極，能有效解決鋰枝晶的生長問題，而鋰枝晶極大影響了電池的循環(huán)壽命和安全性。并且拿層狀金屬氧化物代替TiS2，能大幅改善電池容量和循環(huán)性能。
更大的技術(shù)突破來自負(fù)極?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)用石墨等碳基材料作為負(fù)極，能極大提升電池性能，自1991年開始，鋰離子電池的商業(yè)化發(fā)展步入爆發(fā)期，在各種消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。
但對于鈉離子來說，此時就被“打入冷宮”，因為鈉離子相較于鋰離子半徑更大，石墨嵌鋰可以，但嵌鈉不太行，這使得鈉離子電池的能量密度遠(yuǎn)不如鋰。
除了負(fù)極因素，鈉離子本身的能量密度也低于鋰離子。雖然單個鋰離子和鈉離子帶電量相同，但鈉離子摩爾質(zhì)量是鋰離子的3倍、直徑是鋰離子的1.3倍，導(dǎo)致鈉離子電池理論質(zhì)量比容量和體積比容量小于鋰離子電池。
而電池的初期發(fā)展需求，來自消費類電子產(chǎn)品，比如筆記本電腦、手機等，要求的是便攜、短小輕薄、能量密度高，于是鋰電池就迅速把鈉甩到了身后。在整個20世紀(jì)80年代，到21世紀(jì)初，鈉離子電池的研究投入大幅度降低，逐漸淡出人們的視野。
直到2000年，低電壓、高容量的硬碳材料，終于被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它克服了長久以來負(fù)極的發(fā)展瓶頸，終于使鈉離子電池有了商業(yè)化的可能性。
但此時下游應(yīng)用場景依然是對能量密度和便攜性要求高的消費電子產(chǎn)品，以及2006年后對能量密度有較高要求的電動車，都使得鈉離子在市場上還是被鋰離子壓制。
根據(jù)對學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和專利的梳理，中金公司將鈉離子電池2010年之后的發(fā)展歷程，分為了4個階段：
創(chuàng)新萌發(fā)期（2010-2012）：即新技術(shù)的第一個上升階段，主要由技術(shù)突破或新增需求引發(fā)市場關(guān)注度的加速提升；對于鈉離子電池來說，此階段的驅(qū)動力主要來自于對鋰離子電池的替代需求。
泡沫過熱期（2013-2017）：新技術(shù)的關(guān)注度和期望出現(xiàn)高峰，逐漸超出市場現(xiàn)實情況和技術(shù)實際能力。此階段市場持續(xù)的高度關(guān)注推動鈉離子技術(shù)發(fā)展，研究氛圍活躍、部分廠商開始入場。
行業(yè)低谷期（2018-2020）：新技術(shù)由于自身短板，發(fā)展出現(xiàn)瓶頸、市場潛力不明朗，導(dǎo)致關(guān)注度和期望下滑；由于自身能量密度的限制以及鋰離子電池的快速降本，鈉離子電池的應(yīng)用場景局限于儲能、中低速車和電動兩輪車等方面，導(dǎo)致市場期望的快速下滑、進(jìn)入低谷期。
復(fù)蘇爬升期（2021-）：第二個上升階段，新技術(shù)成熟度的增高以及應(yīng)用場景的完善帶來的市場需求的提升，兩者共同推動新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速。而目前，鈉離子電池正處于突破低谷進(jìn)入復(fù)蘇爬升期的拐點。
那么經(jīng)歷了20年滯后期，鈉離子電池發(fā)展的轉(zhuǎn)折點在哪？
2 鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪？主要有兩大因素：
一是鋰資源快速稀缺，價格飆漲，而鈉資源眾多，成本低廉；
二是隨著儲能等新賽道的爆發(fā)，以及鈉離子電池本身綜合性能的提升，一些有不錯潛力的應(yīng)用場景開始出現(xiàn)。
針對第一點鋰資源問題，核心是全世界鋰資源的分布非常不均，并且可開發(fā)儲量有限。全球的鋰礦資源幾乎都聚集在“鋰三角”（玻利維亞、阿根廷、智利）和澳大利亞，超過一半（53%）的可開發(fā)儲量位于南美，分布在智利（42%）和阿根廷（10%）等地；澳大利亞的鋰資源可開發(fā)儲量位列第二，約占全球總量的四分之一，而這些國家對開采多少態(tài)度各異。
而鋰離子電池的主要產(chǎn)能集中在亞洲，中國高品質(zhì)鋰礦資源相對稀缺，探明量和可開發(fā)儲量僅占全球的6%和7%，從進(jìn)口情況來看，截止到 2022上半年，中國鋰資源（氫氧化鋰）進(jìn)口依賴超60%。
作為鋰資源消耗大國，而自有資源儲量又少，在電動車需求暴增的大背景下，鋰價急劇攀升。截至2022年12月已突破55萬元/噸，相較于2020年7月漲幅近1300%。鋰電池材料成本也隨之翻倍上漲，產(chǎn)業(yè)鏈利潤向上游原材料集中，中下游苦不堪言。
如果我們考慮一種極端情況，在戰(zhàn)爭或是逆全球化等突發(fā)事件之下，如果不考慮進(jìn)口，那么中國的鋰資源什么時候會出現(xiàn)“硬缺口”呢？
按中金公司的預(yù)測，中國鋰供給的“硬缺口”會在2030年之前就出現(xiàn)。
中金公司的這種測算方法，是把電動車作為碳酸鋰的主要下游應(yīng)用，通過比對中國已探明鋰儲量在不同開發(fā)利用率水平下，對電動車保有量的支撐水平，進(jìn)而測算鋰資源硬約束的時間位置。
從電動車需求端來看，按照公安部數(shù)據(jù)，2021年底我國電動車保有量達(dá)到784萬輛，約占全球40~50%，而根據(jù)世界能源署的預(yù)計，到2030年全球電動車保有量將達(dá)到3.81億輛。假設(shè)到2030年中國電動車保有量約為50%、35%、25%（三種假設(shè)情形），對應(yīng)2030年全國電動車保有量約為1.9億輛、1.3億輛和0.95億輛。
中國的鋰資源以鹽湖鹵水型為主，占比達(dá)到80%左右，主要分布在青海、西藏等地，但這些鹽湖鋰含量較低，開采條件不如南美鹽湖。那么根據(jù)需求端和供給端的情況，我們可以假設(shè)出三種情況：
情景假設(shè)1：有效開采率100%情況下。我們假設(shè)單車帶電量為70KWh，根據(jù)正極材料體系的差異單車碳酸鋰消耗約為34~50kg，在極端情況下，假設(shè)已探明的可開采鋰資源可以100%有效開發(fā)利用，則可以支撐1.83億輛新能源車的碳酸鋰需求。
情景假設(shè)2：有效開采率70%情況下，支撐1.28億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。
情景假設(shè)3：有效開采率50%情況下，支撐0.91億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。
綜合來說，在100%可開采鋰礦利用率的極端假設(shè)下，到2030年中國將出現(xiàn)鋰供應(yīng)的“硬缺口”。而這還是只考慮了電動車的消耗，但儲能也在快速發(fā)展，儲能電池也主要是磷酸鐵鋰電池，也需要大量的鋰資源，這會導(dǎo)致越來越稀缺。
當(dāng)然以上測算只考慮了中國自身的情況下，如果考慮全球資源，市場的預(yù)判是鋰礦足夠未來60-80年的需求，并且鋰電池回收也在快速發(fā)展。但由于鋰資源高度集中在南美和澳大利亞，鋰可能會像石油一樣，價格并不是由產(chǎn)量來決定，而是根據(jù)資源擁有國的生產(chǎn)意愿來決定，作為生產(chǎn)全球65%電池的中國，資源的地緣政治性問題也會凸顯。
這時候人們把眼光看向了鈉。鋰資源本身在自然界的儲量就比較低，地殼豐度度僅0.002%，而地殼中含有2.27%的鈉，使其成為地球上第七大最豐富的元素，和第五大最豐富的金屬，鈉與鋰還處于同一主族，具有相似物理化學(xué)性質(zhì)。鈉分布于全球各地，完全不受資源和地域的限制，資源供應(yīng)豐富且安全，這是鈉離子電池最大的優(yōu)勢。
針對第二點，鈉離子電池技術(shù)并未被遺忘，也在日趨成熟，并且有更多適合鈉離子的應(yīng)用場景出現(xiàn)。
在近十年內(nèi)，美國Goodenough等提出普魯士白正極，中科院物理所胡勝勇等首次提出低成本煤基無定形碳負(fù)極材料，研發(fā)開始大跨步向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。
自2021年開始，隨著儲能市場的爆發(fā)，鈉電池又迎來了新機遇。核心在于大規(guī)模儲能的首要因素是安全和成本，對能量密度的要求比電子產(chǎn)品或是電動車要弱，這與鈉離子電池的特性契合。
下面，我們就來分析一下鈉離子電池與鋰離子電池有何異同，鈉離子電池的優(yōu)劣勢是哪些。
3 鈉離子電池能分庭抗“鋰”嗎？最早在1979年，法國的Armand提出了“搖椅式電池”的概念，開啟了鋰離子和鈉離子電池的研究。與鋰離子電池相同，鈉離子電池的構(gòu)成同樣主要是正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體等，從技術(shù)原理來說，鈉和鋰電池基本是相通的。
鈉和鋰電池的主要區(qū)別是在正負(fù)極的材料選擇上：
1）正極材料
由于離子特性的差異，直接將鋰電池中的鋰換成鈉并不合適，因此尋找適合鈉離子電池的電極材料，是商業(yè)化的關(guān)鍵。目前主要是“三種技術(shù)路線之爭”——過渡金屬氧化物類、聚陰離子類和普魯士藍(lán)類。
層狀氧化物正極結(jié)構(gòu)與鋰電三元材料類似，且兼顧能量密度與循環(huán)壽命，且較少使用到鈷、鎳等價格較高的過渡金屬，成本可控，因此最早量產(chǎn)。但層狀氧化物材料空氣穩(wěn)定性差，需要通過包覆或摻雜提高其空氣穩(wěn)定性，這會提升其制造成本。
普魯士藍(lán)類正極能量密度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，倍率性能好，成本低廉，但是由于其晶格中配位水的存在，普魯士藍(lán)類正極與商用有機電解液的兼容性差，循環(huán)壽命也受影響。且普魯士藍(lán)類正極的生產(chǎn)涉及到劇毒的氰化物，生產(chǎn)要求較高。
聚陰離子正極的循環(huán)性能較好，且工作電壓高，但能量密度較低，導(dǎo)電性較差，大電流充放電性能較差，需要使用碳包覆或摻雜提高電子電導(dǎo)率，理論容量存在局限。
綜合來說，鈉離子電池的三類正極材料各有優(yōu)缺點，未來可能在不同應(yīng)用場景，適配不同的材料。例如在工商業(yè)儲能場景中，聚陰離子材料中硫酸鐵鈉材料成本低，循環(huán)壽命高，考慮容量租賃、峰谷價差套利、容量補償?shù)仁找鎭碓矗坳庪x子型材料儲能擁有優(yōu)勢。
此外，由于正極材料不再需要用鎳、鈷等貴重的材料，或用量很低。鈉離子電池正極材料的原材料成本與鋰電池的價差相差了三倍左右。
2）負(fù)極材料
我們在上文中提過，不同于鋰離子，在碳酸酯電解質(zhì)中不易實現(xiàn)石墨儲鈉，因此鈉離子電池也需要尋求新的負(fù)極材料。目前來看，能夠讓大量鈉離子存儲和快速通行、具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳，是比較合適商業(yè)化的材料之一。
而生物質(zhì)硬碳，是主流的負(fù)極路線之一，來源非常廣泛、合成簡單，比如椰殼、杏仁殼、秸稈等等都是理想的鈉離子電池負(fù)極材料。這方面也帶來一定的成本下降，由于鈉離子電池負(fù)極所用的硬碳，只需要1200-1600度碳化就可以了，省去了鋰電池負(fù)極石墨化燒結(jié)所需的2800-3200度高溫要求，更加省電和環(huán)保。此外，還可以用無煙煤等煤基材料為主體，以瀝青、石油焦等軟碳前驅(qū)體為輔材，來制得負(fù)極材料。
另外，在電解液、隔膜、集流體方面，由于鈉和鋰離子電池的工作原理類似，只需根據(jù)鈉離子的一些特點，在鋰離子電池體系的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)即可。例如在集流體方面，因為低溫下鋰和鋁會發(fā)生合金化反應(yīng)，因此鋰離子電池通常正極集流體選擇鋁箔，負(fù)極集流體選擇銅箔；而鈉離子電池正負(fù)極均可以選擇成本較低的鋁箔。再比如在電解液方面，目前主要沿用鋰電池的溶劑，但會改變一些針對鈉電池的鹽類（六氟磷酸鋰變成六氟磷酸鈉）。
據(jù)中金公司分析，市場主要從能量密度、循環(huán)壽命、快充性能、低溫性能、安全性、成本六個方面，來判斷一款電池的性能：
能量密度：鈉離子電池能量密度低于鋰電池。對比來看，磷酸鐵鋰單體的能量密度主要分布在160Wh/kg左右，而國內(nèi)外主流鈉離子電池企業(yè)的能量密度在50-140Wh/kg，2021年7月寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池能量密度達(dá)到160Wh/kg， 與鋰離子電池類似，鈉離子電池的能量密度同樣取決于正極，三種正極材料之爭如上文所述。
循環(huán)壽命：鈉離子電池循環(huán)次數(shù)仍有待提升。主要是鈉離子體積較鋰離子更大，在嵌入脫出的過程中會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，循環(huán)性能不穩(wěn)定。目前常見的鈉電池循環(huán)壽命在3000次左右，較磷酸鐵鋰電池3000-6000次的循環(huán)壽命仍有一定差距。雖然有實驗室采用面心立方結(jié)構(gòu)的普魯士藍(lán)材料，開發(fā)出了高倍率水系鈉電池，循環(huán)壽命可達(dá)到一萬次，但其能量密度僅為50Wh/kg，生產(chǎn)工藝也更為復(fù)雜。所以整體而言，鈉離子電池的循環(huán)壽命仍有待提升，目前對比三種主流鈉離子正極材料的循環(huán)壽命，普魯士藍(lán)>聚陰離子>層狀金屬氧化物。
快充性能：鈉離子電池優(yōu)于鋰電池?？斐湫阅艿谋举|(zhì)是指電池的充放電倍率，主要由鈉離子在正負(fù)極、電解液以及界面處的遷移能力決定。目前鈉離子電池的離子遷移速度，和電極界面反應(yīng)快，快充性能優(yōu)于鋰離子電池。
低溫性能：鈉離子電池同樣具有更優(yōu)的低溫性能。在低溫環(huán)境下，鈉離子電池電解液/電極界面膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗的增大、以及鈉離子在正負(fù)極中遷移速度的降低，與鋰離子電池相比變化較小。
安全性能：鈉離子電池安全性更高。與鋰離子電池只存在一個平臺電壓不同，鈉離子電池在充放電過程中存在多個平臺電壓，降低電池過充或過放風(fēng)險。此外，鈉離子電池較鋰離子電池具有更高的電導(dǎo)率，意味著電池內(nèi)阻較低，在電池運行過程中不會產(chǎn)生或多的熱量，因此較鋰離子電池具備更高的安全性能。
成本：鈉離子商業(yè)化仍未成熟，降本空間可期。從成本來講，鈉電池的成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在正極/電解液（鈉比鋰更容易獲得）、負(fù)極（成本更低的硬碳）以及集流體（鋁箔價格更低）的材料降本?，F(xiàn)階段因為產(chǎn)業(yè)成熟度低，所以整體成本還比較高，但未來可能存在30%-40%的下降空間。
綜合來看，目前鈉離子電池在低溫性能、安全性、快充等方面，表現(xiàn)是優(yōu)于鋰離子電池的，但在能量密度、循環(huán)壽命等方面，仍然有待提升。在成本方面，由于鈉離子電池的商業(yè)化還未成熟，當(dāng)下還相對高，但考慮到鈉的材料來源豐富，還有比較大的降本空間。
此外，也有巨頭公司（例如寧德時代）在嘗試將鈉離子和鋰離子電池混搭，這種混搭方案的構(gòu)想是利用各個體系的特點和優(yōu)點，比如鈉離子電池的原材料優(yōu)勢，以及較好的低溫性能，來彌補磷酸鐵鋰和三元的薄弱點。例如寧德時代首創(chuàng)了AB電池系統(tǒng)集成技術(shù)，將鈉離子電池與鋰離子電池同時集成到同一個電池系統(tǒng)里，并且將兩種電池按一定的比例和排列進(jìn)行混搭，串聯(lián)、并聯(lián)集成，再通過BMS的精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制。
當(dāng)然，不同材料的電壓范圍、曲線、循環(huán)都有不一樣的地方，如何有機結(jié)合還存在很多技術(shù)難點，值得持續(xù)觀察。
從市場角度來說，鈉離子電池主要是在儲能和動力電池場景的滲透：
儲能：儲能電池方面，鈉離子電池主要針對的是表前側(cè)規(guī)模儲電，和工商業(yè)儲能，因為這些領(lǐng)域?qū)﹄姵氐哪芰棵芏鹊囊?，不體現(xiàn)在鈉弱勢的體積/質(zhì)量能量密度，且對安全性、高功率性、低成本更加側(cè)重，所以比較適合鈉離子電池。而家儲產(chǎn)品，卻對體積能量密度需求較高，還是更適合鋰電池。
?動力電池：主要針對A0或A00級電動車（小型車和微型車），A0或A00級平均單次充電里程要求較低、單車配電在10-20KWh，車身空間較為充裕，對動力電池能量密度要求較低；且一般使用家用充電樁即可完成充電，充電便捷性高，因此比較適合鈉離子電池。而在低速兩輪車方面，鈉離子電池也有替代鉛酸電池的可能性。此外，在商用車方面，對于日營運里程在50-150公里之間的城市公交，以及廠區(qū)所用的叉車或AGV，也都比較適合鈉離子電池。
在應(yīng)用場景方面，雖然鈉離子電池在能量密度方面不如鋰離子電池，但原材料成本較低、低溫性能和安全性良好，非常適合大規(guī)模儲能的應(yīng)用場景。以及目前鈉離子電池的性能和成本，也能夠匹配部分商用車以及中低速電動車的動力電池，在這些領(lǐng)域有望替代部分鋰離子電池，緩解鋰資源不足。
按中金公司預(yù)測，預(yù)計到2025年全球鈉離子電池需求規(guī)模約為67.4GWh，滲透率達(dá)到3.5%，從結(jié)構(gòu)上來看，2025年儲能的表前市場有望成為最大的下游。
如今，有很多市場預(yù)測認(rèn)為，2023年會是鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的元年。當(dāng)然，鈉電不可能完全取代鋰電，當(dāng)下還存在能量密度和綜合成本的劣勢，但鈉電的產(chǎn)業(yè)化速度會更快，因為它的生產(chǎn)工藝與鋰離子電池趨同，設(shè)備可遷移，產(chǎn)業(yè)鏈可復(fù)刻。
或許，鈉電最本質(zhì)的價值在于，能給市場另一個選擇，在沒有B方案的情況下，A方案的成本將很難降下去，只有B方案出現(xiàn)，各方相互制衡，市場才有選擇機會，才能會讓鋰的價格產(chǎn)生下降趨勢。而從國家能源安全角度來看，多一條替代選擇，也比把寶全壓在鋰離子電池上好。
當(dāng)然，最終鈉離子電池能實現(xiàn)怎樣的替代，還得依靠兩者在性價比上的綜合比拼（也許鋰鈉混搭的融合方案也是不錯的選擇），來決定市場最終的走向。
References：
1.中金：儲能深度系列：鈉離子電池，鋰資源不足的新解法
2.中金：鈉電正極——三足鼎立，各有所長
3.浙商證券：鈉離子電池行業(yè)深度：空間釋放未來可期
4.海通國際：鈉離子電池入局企業(yè)眾多，產(chǎn)業(yè)前景廣闊
5.東方證券：鈉離子電池應(yīng)用拓寬降本可期，產(chǎn)業(yè)化邁入快車道
6.國海證券：鈉離子電池發(fā)展迅速，負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快
7.華泰證券：鈉離子電池之二：產(chǎn)業(yè)生態(tài)漸露雛形
8.國泰君安：鈉離子負(fù)極明珠蒙塵引關(guān)注，降本峰回路轉(zhuǎn)在當(dāng)前
9.中信證券：鈉電池時機已至，花開在即
10.天風(fēng)證券：鈉離子電池初探：從儲能走向動力